CN104650826A - 一种钻井液用铝基防塌剂 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻井液用高效铝基防塌剂，该高效铝基防塌剂是通过有机酸在酸性条件下与含铝化合物在25-105℃条件下反应合成的钻井液用高效铝基防塌剂；所述的有机酸为单宁酸、柠檬酸、腐植酸、草酸；所述的含铝化合物为氢氧化铝、氯化铝、硫酸铝、硝酸铝。针对泥岩地层，利用有机酸-铝独特的化学性质，使该铝基防塌剂能够抑制粘土和页岩的水化膨胀，阻缓泥岩中的压力传递，改善泥岩的半透膜性质。该封堵防塌剂中8h页岩线性膨胀率≤15％，能够有效稳定高、低含水量泥岩样品，降低泥岩中的孔隙压力传递12倍以上，诱导渗透压提高50％以上，封堵防塌能力优良，利于稳定井壁。

Description

一种钻井液用铝基防塌剂

技术领域

本发明涉及一种石油钻井过程中钻井液用封堵防塌剂，用于钻井液施工中，属于石油钻探领域。 

技术背景

井壁失稳是石油天然气钻探过程中普遍存在、经常遇到的复杂问题。由于井壁失稳引起的井下复杂事故，对钻井、完井施工危害极大，一直是困扰国内外石油工程界的突出难题。钻井作业中，一旦发生井壁失稳，不仅延误钻井时间、伤害油气层、干扰地质录井等工作，导致井塌、卡钻等一系列井下复杂情况与事故，严重井壁失稳处理不当时甚至会导致井眼报废，造成重大经济损失。 

钻井过程中，超过75％的地层是泥页岩地层，而泥页岩失稳导致超过90％的井壁稳定问题。页岩的一个很大的特点是渗透率很低。很多作者提到过，因为页岩孔隙很小，在0.01～0.001微米之间，页岩的渗透率只能以微达西计。当使用一般的水基钻井液，在页岩地层不能形成泥饼。水主要通过孔洞或裂缝进入岩石。但是，在大量水进入岩石前，孔隙压力会扩散到岩石中，孔隙压力增加，导致井筒平均有效应力的增加，最终引起岩石破坏。由于页岩渗透率低，因此该破坏是依时性的。 

维持井壁稳定最重要的因素是防止流体侵入页岩中，从而维持对井壁的有效支撑。一种理想的钻井液，考虑到页岩稳定性，将不允许流体侵入。随着现阶段钻井液技术的发展，已经研发出许多不同形式、不同特点的封堵剂，主要包括硅酸盐类封固剂、聚合醇类封堵剂等使用较为广泛，同时现场应用过程中也收到了不错的效果，但是也存在着难以克服的缺点。比如聚合醇类封堵剂成本较高，难以大规模使用，而硅酸盐类最大的弱点就是流变性较难控制。目前国内使用的铝基防塌剂剂对钻井液的流变性和滤失性影响较大，加量不易控制，满足不了现在钻井工程中的环保要求。 

钻井过程中钻井液使用的理想封堵防塌剂的要求是，能够封堵页岩孔隙和微裂缝，组缓压力传递，同时改善泥岩半透膜性质，便于利用反渗透原理产生渗透压力抵消孔隙压力传递引起的有效应力的降低。 

因此若能开发一种可以大幅度提高钻井液阻缓泥岩中压力传递的封堵防塌剂，增加泥岩中的有效应力支撑，不仅可以减少泥岩地层中的井壁失稳，还有利于降低钻井液的密度，提 高泥岩地层中的钻速，同时可以减少井壁失稳的问题，缩短处理井下复杂情况的时间，这对于降低钻井综合成本、提高钻井时效、加快勘探开发速度均具有极其重要的经济意义。 

为了解决以上问题，研究开发了一种新型铝基防塌剂，即钻井液用有机酸-铝高效封堵防塌剂。 

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种钻井液用高效铝基防塌剂及其制备方法。可以提高钻井液阻缓压力传递的能力，还可以大幅度提高钻井液改善泥岩半透膜性质的能力，利于保持泥岩井壁稳定，降低钻井成本。 

本发明的目的之一是提供一种钻井液用高效铝基封堵防塌剂。 

本发明的目的之二是提供一种钻井液用高效铝基防塌剂的制备方法。 

本发明是一种钻井液用高效铝基防塌剂，该高效铝基防塌剂是通过有机酸在酸性条件下与含铝化合物在25-105℃条件下反应合成的钻井液用高效铝基防塌剂；所述的有机酸为单宁酸、柠檬酸、腐植酸、草酸；所述的含铝化合物为氢氧化铝、氯化铝、硫酸铝、硝酸铝。 

该新型高效铝基防塌剂封堵能力强，封堵防塌剂中8h页岩线性膨胀率≤15％，能够有效稳定高、低含水量泥岩样品，降低泥岩中的孔隙压力传递12倍以上，诱导渗透压提高50％以上。 

附图说明

图1是泥岩中孔隙压力传递曲线，图中a.泥岩孔隙压力传递曲线，b.铝基防塌剂作用后泥岩孔隙压力传递曲线，c.上压。 

图2是实际渗透压测试曲线图，图中a.泥岩实际渗透压测试曲线，b.铝基防塌剂作用后泥岩实际渗透压测试曲线。 

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。 

实施例1 

新型高效铝基防塌剂室内小样的合成： 

有机酸加量为100.8g，使用0.1mol/L的NaOH溶液或0.1mol/L的HCl溶液调节其pH值，此过程中搅拌速度大于500r/min，水浴加热。先加入有机酸，升温至90℃后加入200g含铝化合物。然后保持温度200r/min均匀搅拌5～10h，冷却，105℃干燥，粉碎，得到铝基 防塌剂粉末。 

实施例2 

水化膨胀抑制性评价：页岩膨胀率测定。与去离子水(膨胀率为23.21％)相比，铝基防塌剂溶液作为试液时，人造岩样的膨胀率为12.87％，降低幅度达44.54％，表明铝基防塌剂具有良好的水化膨胀抑制性。 

实施例3 

泥岩井壁防塌抑制性评价：页岩稳定指数测定。 

(1)高含水量人工岩样制备将实验泥岩粉过100目筛、烘干，按质量比7∶3与3.3％NaCl溶液搅拌混合得到湿岩样(浆)；将湿岩样置于盛有恒定水活度溶液的干燥器中充分水化16h；称取150g湿岩样放入压样器中，在一定压力下压制2h成型；将成型样品取出装配到滚动罐内的岩心模具中压实3min，施加压力应高于成型压力2.0MPa；用针入度仪测定组装岩样表面的深度及针入度；将350mL试液装入滚动罐中，将滚动罐的上盖拧紧密封，使组装岩样浸入试液中，热滚动或静置热浸泡一定时间，卸下上盖，测定实验后岩样表面的高度和针入度。 

(2)低含水量模拟岩样制备将实验泥岩粉过100目筛，风干或烘干后，称取90g装入滚动罐内的岩心模具中，用专用柱塞加压压制2h成型。用针入度仪测定组装岩样表面的深度和针入度；将350mL试液装入滚动罐中，将滚动罐的上盖拧紧密封，使组装岩样浸入试液中，热滚动或静置热浸泡一定时间，卸下上盖，测定实验后岩样表面的高度和针入度。 

泥页岩综合性稳定性指数SSI按式(1)计算。 

SSI＝100-2(HF-HI)-4D             (1) 

其中，HI-初始针入度读数，mm；HF-最终针入度读数，mm；D-使用针入度仪测量的膨胀或侵蚀量，mm。 

与NaCl溶液全部分散不同，铝基防塌剂可以有效防止高含水量和低含水量岩样膨胀、分散或脱落，对于高含水量和低含水量模拟岩样，SSI值分别为73.00和57.26，说明铝基防塌剂良好的泥岩稳定性能。 

实施例4 

阻缓压力传递和泥岩半透膜改善性能测试步骤简述为：(1)模拟地层水(200g/L的盐溶液)饱和平衡岩样，恢复岩样原始地层含水状态；(2)地层水(200g/L的盐溶液)/泥岩/地层水(200g/L的盐溶液)条件下进行孔隙压力传递(PT)实验。实验过程中，轴压为5MPa， 围压为5MPa，上压为2MPa，下压为初始压力为1MPa，监测下游试液锁紧后压力随时间的变化；(3)将上游试液替换为100g/L的盐溶液，地层水(100g/L的盐溶液)/岩样/地层水(200g/L的盐溶液)作用条件下进行实际渗透压测试实验，实验过程中，轴压为5MPa，围压为5MPa，上压为1MPa，下压为初始压力为1MPa，监测下游试液锁紧后压力随时间的变化；(4)配制质量浓度为10g/L铝基防塌剂溶液，在1MPa压差下与岩样作用12h；(5)用200g/L的盐溶液将试液替出，继续PT实验；(6)待PT实验完成后，将上游试液替换为100g/L的盐溶液，继续OT实验。根据压力传递曲线，泥页岩的渗透率可根据下式计算： 

$k=\frac{\mathrm{\μ\βVL}}{A}\frac{\ln \left[\frac{p_m-p_0}{p_m-p_{(L,t_2)}}\right]-\ln \left[\frac{p_m-p_0}{p_m-p_{(L,t_1)}}\right]}{t_2-t_1}---\left(2\right)$

式中，k-泥页岩渗透率，μm²；μ-流体粘度，NaCl溶液粘度1.0050mPa*s；t-钻井液与泥页岩作用时间，s；β-流体静态压缩率，4.5X10^-4MPa^-1；V-下游封闭体积；A-岩样的横截面积cm²；L-岩样长度，cm；p_m，p₀-分别表示流体压力和孔隙压力，MPa；p_(L,t)-岩样下端t时刻的压力，MPa。 

泥岩颗粒表面带有负电荷，孔隙尺寸极小，具有半透膜性质。但由于天然泥岩是非均质的，有时会发育微裂缝，因此该半透膜体系不是理想的，不能限制溶剂中的所有溶质的运移，半透膜的非理想性一般由反射系数来表示(σ)(也称作膜效率)，定义为实际产生的压力与2-4计算的理想渗透压力之比： 

$\mathrm{\σ}=\left[\frac{\mathrm{\δP}}{\mathrm{\Δ\π}}\right]---\left(3\right)$

其中，δp是由于页岩的化学渗透产生的压力的变化，Δπ是理想半透膜的计算压力，可以根据Van Hoff方程得到。 

测试结果见附图1和附图2。铝基封堵防塌剂与相同厚度的岩心作用后，传递1MPa的压差所需时间较空白岩心(约为1.5h)有较大幅度的提高，所需时间约为20h。铝基防塌剂作用后的岩心的渗透率分别为：5.1×10^-8μm²，也大幅降低。由图2可知，泥岩样品具有半透膜性质，8.5h后两侧渗透压差恒定为1.28MPa；铝基防塌剂与其作用后，渗透压差在71h后趋于稳定，为2.60MPa，较空白泥岩有较大幅度的提高。说明铝基封堵防塌剂封堵性能优良。 

Claims (3)

1.一种钻井液用铝基防塌剂，其特征在于，该铝基防塌剂是通过有机酸与含铝化合物在25-105℃条件下反应合成的钻井液用铝基防塌剂；所述的有机酸为单宁酸、柠檬酸、腐植酸、草酸；所述的含铝化合物为氢氧化铝、氯化铝、硫酸铝、硝酸铝。

2.根据权利要求1所述的钻井液用铝基防塌剂，其特征在于所述的有机酸与铝化合物反应生成有机酸络合铝。

3.权利要求1～2之一所述的钻井液用铝基防塌剂在钻井中的应用，其特征在于：在钻井液体系中加入0.8％～1.2％的所述铝基防塌剂。